吳永杰，嚴(yán) 升，孫亞波，崔衛(wèi)華

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司,廣西 柳州 545000)

滾筒飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法

吳永杰1，嚴(yán) 升2，孫亞波1，崔衛(wèi)華1

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司,廣西 柳州 545000)

在滾筒飛剪原有傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法基礎(chǔ)上，考慮連續(xù)工作制，研究了用戶要求的最小目標(biāo)定尺長度對(duì)傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。根據(jù)滾筒飛剪連續(xù)定尺剪切原理，建立目標(biāo)定尺長度計(jì)算模型，形成了比較完善的基于最小目標(biāo)定尺長度的滾筒飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法。以某汽車板重卷檢查機(jī)組的滾筒式飛剪機(jī)為例，進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，考慮最小目標(biāo)定尺長度時(shí)，滾筒飛剪的傳動(dòng)功率增大，傳動(dòng)速比減小。

滾筒飛剪；連續(xù)工作制；最小目標(biāo)定尺長度；傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)

0 前言

經(jīng)冷軋機(jī)組軋制后的帶鋼，必須經(jīng)過精整處理加工，才能得到高質(zhì)量的合格產(chǎn)品。精整機(jī)組主要進(jìn)行重卷、縱切、橫切、表面檢查等工序。

現(xiàn)代化冷連軋機(jī)組不斷向高速、自動(dòng)化方向發(fā)展，且運(yùn)行速度越來越高，對(duì)精整設(shè)備提出運(yùn)行速度更快、精度更高、質(zhì)量更好的要求。飛剪作為橫切機(jī)組的重要設(shè)備對(duì)于機(jī)組的速度、精度和質(zhì)量都起著關(guān)鍵的作用，滾筒飛剪正是在這種形勢(shì)下研制開發(fā)的。之所以稱為滾筒飛剪，是因?yàn)轱w剪的剪刃安裝在滾筒狀剪軸螺旋形的槽中，隨著剪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)剪刃像齒輪嚙合一樣將帶材剪斷。

滾筒飛剪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)包含傳動(dòng)功率、速比。其常規(guī)計(jì)算方法[1～12]按照啟停工作制計(jì)算傳動(dòng)功率、速比。沒有考慮連續(xù)工作制時(shí)，用戶要求的最小目標(biāo)定尺長度對(duì)傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，從而造成最小目標(biāo)定尺長度剪切無法實(shí)現(xiàn)。

本文深入研究了滾筒飛剪連續(xù)定尺剪切原理，建立了目標(biāo)定尺長度計(jì)算模型，形成比較完善的基于最小目標(biāo)定尺長度的滾筒飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法。

1 原有傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法

如圖1所示，雙剪刃滾筒飛剪在滾筒上對(duì)稱安裝了兩把剪刃，沿滾筒軸線呈螺旋狀布置，螺旋升角為3°，滾筒旋轉(zhuǎn)一周，剪切兩次，剪刃零位為兩剪刃位于水平位置。

圖1 飛剪滾筒結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，剪切時(shí)，剪刃從零位開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過角度α0接觸帶材表面，繼續(xù)轉(zhuǎn)過角度γ，完全剪斷帶材。則α0為上、下剪刃接觸帶材表面的加速角，γ為切入角，Δ為上下剪刃重疊量，mm。

圖2 飛剪剪切示意圖

切入角γ計(jì)算如下

(1)

式中，D為滾筒直徑，mm；hmax為鋼最大厚度，mm。

加速角α0為

α0=90°-γ

式中，α0為剪切帶材寬度等于剪刃長度時(shí)的加速角，考慮最寬帶材比剪刃長度小，剪切最寬帶材時(shí)，剪刃接觸帶材的加速角α變?yōu)?/p>

(2)

式中，Bmax為帶鋼最大寬度，mm。

按照最大剪切速度核算加速時(shí)間Ta為

式中，νmax為最大剪切速度，m/min。

加速力矩Ma為

式中，GD2為飛剪換算到電機(jī)軸上的飛輪矩，kg·m2；N為傳動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

則飛剪加速功率Pa為

剪切最寬帶材時(shí)，剪切角β為

剪切制動(dòng)角φ為

φ=180°-α-β

按照最大剪切速度核算制動(dòng)時(shí)間Td為

制動(dòng)力矩Md為

式中，GD2為滾筒換算到電機(jī)軸上的飛輪矩，kg·m2；N為傳動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

制動(dòng)功率Pd

飛剪傳動(dòng)功率P取加速功率Pa與制動(dòng)功率Pd較大者，即

P=max{Pa,Pd}

(3)

飛剪傳動(dòng)速比為

(4)

原有計(jì)算方法按照啟停工作制計(jì)算，沒有考慮連續(xù)工作制時(shí)，用戶要求的最小目標(biāo)定尺長度對(duì)傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，從而造成最小目標(biāo)定尺長度剪切無法實(shí)現(xiàn)。

2 連續(xù)定尺剪切計(jì)算分析

2.1 基本定尺長度計(jì)算

帶材定尺剪切需要剪切兩刀，第一刀剪切完成后，滾筒保持剪切速度運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)180°后，進(jìn)行第二刀剪切，則，基本定尺長度為

當(dāng)目標(biāo)定尺長度Ls>L0時(shí)，第一刀剪切后，滾筒必須先降速，保持勻速，再升速到剪切速度，進(jìn)行第二刀剪切。

當(dāng)目標(biāo)定尺長度Ls

則，滾筒速度可調(diào)角域ξ為加速角α和制動(dòng)角φ之和，即

ξ=α+φ

滾筒速度可調(diào)位域Ψ為

滾筒速度可調(diào)時(shí)域Tξ為

(5)

2.2最大目標(biāo)定尺長度Lmax計(jì)算

為了得到最大目標(biāo)定尺長度，第一刀剪切后，滾筒必須先降速，保持勻速，再升速到剪切速度，進(jìn)行第二刀剪切。即第一刀剪切完成后，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)線速度從νs降速到νcon，降速時(shí)間為T1；保持勻速運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間T2，線速度再從vcon升速到vs，升速時(shí)間為T1，然后進(jìn)行第二刀剪切，完成定尺剪切，如圖3所示。

圖3 最大目標(biāo)定尺剪切速度變化曲線

則

(6)

Tξ=2T1+T2

(7)

(8)

式(6)、(7)代入式(8)得到

整理得到方程式

(9)

求解得到

設(shè)

p=Tξa-2νs

則方程式(9)變形為

此方程對(duì)稱軸為νcon=-0.5p。

求解

同時(shí)，必須滿足

0≤νcon≤νs

(10)

方程有解，且式(10)滿足的最大Lmax即為最大目標(biāo)定尺長度，如圖4所示為計(jì)算流程。

圖4 最大目標(biāo)定尺長度計(jì)算流程圖

(1)輸入各已知參數(shù)，D,Δ,hmax,Bmax,νmax等；

(3)給定最大目標(biāo)定尺長度初值Lmax=Ls0；

(5)令Lmax=Lmax+0.1，轉(zhuǎn)到步驟(3)重新計(jì)算，直到方程無解，或者判別式0≤νcon≤νs不成立；

(6)令Lmax=Lmax-0.1，得到最大目標(biāo)定尺長度。

2.3 最小目標(biāo)定尺長度計(jì)算

為了得到最小目標(biāo)定尺長度，第一刀剪切后，滾筒必須先升速，保持勻速，再減速到剪切速度，進(jìn)行第二刀剪切。即第一刀剪切完成后，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)線速度從νs升速到νcon，升速時(shí)間為T1；保持勻速運(yùn)行時(shí)間T2，線速度再從νcon降速到νs，降速時(shí)間為T1，然后進(jìn)行第二刀剪切，完成定尺剪切，如圖5所示。

圖5 最小目標(biāo)定尺剪切速度變化曲線

則

(11)

Tξ=2T1+T2

(12)

(13)

式(11)、(12)代入式(13)得到

整理

(14)

求解得到

設(shè)：

p=-(Tξa+2νs)

方程式(14)變形得到

此方程對(duì)稱軸為νcon=-0.5p>0。

求解得到

同時(shí)，必須滿足

νcon≥νs

(15)

方程有解，且式(15)滿足的最小Lmin即為最小目標(biāo)定尺長度，如圖6所示為計(jì)算流程。

圖6 最小目標(biāo)定尺長度計(jì)算流程圖

(1)輸入各已知參數(shù)D,Δ,hmax,Bmax,νmax等；

(3)給定最小目標(biāo)定尺長度初值Lmin=Ls0；

(5)令Lmin=Lmin-0.1，轉(zhuǎn)到步驟(3)重新計(jì)算，直到方程無解，或者判別式νcon≥νs不成立；

(6)令Lmin=Lmin+0.1，得到最小目標(biāo)定尺長度。

3 基于最小目標(biāo)定尺長度的飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

式(3)、式(4)的飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的前提是：按照啟停工作制，飛剪位于零位，從靜止開始加速，到剪刃接觸帶鋼時(shí)，加速到剪切速度，剪切完成后，飛剪開始減速，到零位時(shí)，減速到靜止。

上述計(jì)算前提忽略了飛剪連續(xù)定尺剪切時(shí)，目標(biāo)定尺長度對(duì)傳動(dòng)功率P及傳動(dòng)速比i的要求。

最大目標(biāo)定尺長度Lmax的大小取決于勻速段速度νcon及其保持時(shí)間T2。當(dāng)νcon=0，T2任意保持時(shí)，理論上可以得到任意的最大目標(biāo)定尺長度Lmax。

最小目標(biāo)定尺長度Lmin的大小取決于勻速段速度νcon及其保持時(shí)間T2。νcon越大，T2越大，Lmin越小，這就要求更大的滾筒加速度a。

得到滾筒加速度a后，傳動(dòng)速比i及傳動(dòng)功率P

(16)

(17)

計(jì)算步驟如圖7所示。

圖7 基于最小目標(biāo)定尺長度的滾筒飛 剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算流程圖

(1)輸入各已知參數(shù)，D,Δ,hmax,Bmax,νmax等；

(2)給定最小目標(biāo)定尺長度Lmin；

(5)令a=a+0.1，轉(zhuǎn)到步驟(4)重新計(jì)算，直到方程有解，且判別式νcon>νmax成立；

(6)得到加速度值a，按照式(16)、(17)計(jì)算飛剪傳動(dòng)速比及傳動(dòng)功率。

4 算例

通過采用本文所提出的基于最小目標(biāo)定尺長度的滾筒飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法對(duì)某汽車板重卷檢查機(jī)組的滾筒式飛剪機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。滾筒飛剪結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)如下：滾筒直徑D=321.5 mm，剪刃長度L=2 100 mm，Δ=1.5 mm，飛剪換算到電機(jī)軸上的飛輪矩GD2=2.17 kgf·m2。剪切帶鋼最大寬度Bmax=2 030 mm，最大厚度hmax=2.5 mm。最大剪切速度νmax=60 m/min，要求最小目標(biāo)定尺長度為350 mm。主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果比較

可見，考慮最小目標(biāo)定尺長度時(shí)，傳動(dòng)功率有較大的增大，傳動(dòng)速比有較大地減小。

而原有計(jì)算方法得到的傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小目標(biāo)定尺長度為428 mm。

5 結(jié)論

本文在滾筒飛剪原有傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法基礎(chǔ)上，考慮了連續(xù)工作制時(shí)，用戶要求的最小目標(biāo)定尺長度對(duì)傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。深入研究了滾筒飛剪連續(xù)定尺剪切原理，分別建立了基本定尺長度計(jì)算模型、最小目標(biāo)定尺長度計(jì)算模型及最大目標(biāo)定尺長度計(jì)算模型。形成比較完善的基于最小目標(biāo)定尺長度的滾筒飛剪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法。并以某汽車板重卷檢查機(jī)組的滾筒式飛剪機(jī)為例，進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算速度快，精度高，完全滿足工程需要。

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Calculation method of driving design parameters in drum shear

WU Yong-jie1,YAN Sheng2,SUN Ya-bo1,CUI Wei-hua1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China 2.Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Company Limited,Liuzhou 545000,China)

This paper researched the influence of the minimum target cut length on driving design parameters, it established a calculation model of the target cut length, which formed a comparatively complete calculation method of driving design parameters in drum shear. This method is according to the principle of continuous specific cut length, the basis of the original driving parameter calculation method of drum shear was also considered. It took the drum shear of an auto strip coiling and inspecting line as an example, the simulation calculation was carried out. The results showed that the driving power of the drum shear increased and the transmission ratio decreased when the minimum target cut length was considered.

drum shear;continuous working system;minimum target cut length;driving design parameter

TG333

A

1001-196X(2017)05-0064-06

2017-04-23；

2017-05-26

2016年度陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2016KCT-08)

吳永杰(1973-)，男，高級(jí)工程師，從事板帶精整及處理專業(yè)。